Оглядываясь на 50 лет, прошедшие со дня первого выпуска научно-технического бюллетеня «Экспресс-информация по зарубежной электронной технике» и учитывая, что микроэлектронике – и как научной дисциплине, и как отрасли промышленности – еще больше лет, можно отметить большой пройденный путь и завораживающие перспективы.

Первоначально изделия микроэлектроники в основном предназначались для использования в военных целях, но достаточно быстро они нашли применение в гражданской продукции. Более того, именно продажи ИС гражданского назначения помогли быстро нарастить объемы прибыли и финансирования перспективных НИОКР, расширить сферы конечного применения. Уже около 30 лет в мировых продажах ИС стоимость приборов военного назначения не превышает 2,5-3%.

Примерно до начала 2000-х годов темпы роста и циклы роста/спада полупроводниковой (микроэлектронной) промышленности слабо коррелировали с аналогичными показателями мирового ВВП. После того, как годовые продажи ИС превысили рубеж в 100 млрд долл. ситуация изменилась.

Какие события в наибольшей мере оказали воздействие на развитие рынка изделий микроэлектроники, его динамику? Их достаточно много. Возможно стоит выделить два момента – появление персональных компьютеров и мобильных телефонов (точнее смартфонов). 

Появление ПК означало появление в парадигме развития вычислительной техники нового этапа - этап «одна большая ЭВМ – много пользователей» пополнился этапом «один компьютер – один пользователь». По мере развития рынка ПК, появления настольных ПК, ноутбуков и рабочих станций стремительно расширялось производство микропроцессоров, схем памяти и других компьютерных ИС. Доля ИС для вычислительной техники в общих продажах микросхем превысила 50% и этот сектор долго был доминирующим на рынке полупроводниковых приборов. Затем появились мобильные телефоны, потом смартфоны и множество других персональных, носимых приборов, сочетающих функции передачи голоса/данных с вычислительными функциями. Упомянутая парадигма получила дальнейшее развитие – этап «один пользователь – множество вычислительных средств». Продажи прикладных процессоров для смартфонов и старших моделей мобильных телефонов в период 2011-2016 гг. обогнали продажи компьютерных микропроцессоров сначала в натуральном, а позднее и в стоимостном выражениях. В настоящее время доли ИС для вычислительной техники и средств связи в общих продажах изделий микроэлектроники примерно равны.

Развитие микроэлектроники, определявшееся долгие годы т.н. «Законом Мура» (удвоение числа транзисторов на кристалле каждые 18 месяцев без увеличения удельной стоимости функций для конечного потребителя), при достижении уровня проектных норм порядка 22/20 нм столкнулось с резким увеличением сложности приборов, приборных архитектур, издержек производства, потребностях в новых материалах, технологическом оборудовании и технологических процессах, включая литографию. Возможные решения вылились в появление концепций «Больше Мура» и «Больше, чем Мур».

Концепция «Больше Мура» (More Moore) призвана обеспечить продление действия «Закона Мура» (масштабирование) - за счет новых материалов (углеродные нанотрубки, графен и т. д.) и приборных архитектур (молекулярная электроника, спинтроника и т. п.). Концепция «Больше, чем Мур» (More than Moore) заключается прежде всего в использовании 2,5D и 3D архитектур (масштабирование – не главное), позволяющих существенно наращивать функциональность, сокращать занимаемое пространство и потребляемую мощность, а также в использовании перспективных материалов и приборных структур.

Еще один момент - процессы интеграции. Наращивание функциональности долгое время достигалось за счет многокристальных модулей (МКМ). Потом, по мере масштабирования, их удалось заменить на «системы-на-кристалле» (SoC). Но по достижении проектных норм около 10 нм стало ясно, что SoC дальше слишком трудно масштабировать. Разработчики снова вернулись к многокристальным модулям, только уже на основе чиплетов – функциональных блоков, на которые стали разбивать SoC. Но и SoC, и МКМ на чиплетах – не панацея. Они подходят не для всех применений, наряду с ними по более зрелым технологиям продолжают выпускаться более простые ИС, дискретные полупроводниковые приборы и т.п.

Важным фактором обеспечения дальнейшего масштабирования стала литография с использованием предельной УФ-области спектра (EUV, длина волны излучения 13,5 нм). Она должна была появиться в массовом производстве в середине 1990-х, освоили же ее только в 2018 г. (пионер – Samsung). Но это не избавило от необходимости применения методик многократного формирования рисунка, которые на уровнях проектных норм от 22/20 нм до 10 нм существенно увеличивали стоимость и длительность процессов предшествующих технологий литографии. Однократная EUV-литография оказалась пригодной для техпроцессов с проектными нормами от 10 нм до 5 нм, а далее снова требуются методики многократного формирования рисунка. Интересно отметить, что с каждым новым поколением технологий литографии ужесточаются требования (рентабельность) к минимальным объемам обработки пластин (число 300-мм пластин, обрабатываемых в месяц, не должно быть ниже 10,0 тыс. шт.).

Кстати о пластинах. Переход на обработку пластин большего диаметра долгие годы был одним из факторов дальнейшего развития микроэлектроники – как с технологической, так и с экономической точки зрения. При увеличении диаметра обрабатываемой пластины на ней можно было разместить большее число кристаллов ИС, реализованных по тем же проектным нормам. Коэффициенты увеличения числа кристаллов менялись в зависимости от перехода – от 150-мм пластин к 200-мм пластинам* или от 200-мм пластин к 300-мм пластинам. Если же одновременно с переходом на больший диаметр пластины осуществлялся переход и на меньшие проектные нормы, число размещаемых кристаллов увеличивалось в большей степени, удельные издержки на их формирование также снижались в большей мере.

Существовала тенденция использования пластин большего диаметра прежде всего для производства наиболее современных ИС с минимальными проектными нормами, а затем и прочих ИС. Примерно до 2010-2012 гг. рассматривались предположения о возможном освоении обработки 450-мм пластин, но они были признаны нецелесообразными по экономическим и технологическим причинам. Сейчас наибольшую долю обрабатываемых пластин по их диаметру занимают 300-мм пластины. На них выпускаются не только наиболее перспективные логические приборы и схемы памяти по наименьшим проектным нормам, но и аналоговые ИС и мощные полупроводниковые приборы. Правда для этого используются более зрелые проектные нормы и технологические линии.

Это только одна их точек зрения на развитие микроэлектроники и ее перспективы. Данная тема слишком обширная и многогранная, чтобы рассмотреть ее в краткой заметке.

Михаил Макушин, главный специалист ЦНИИ «Электроника»